Kenneth Libbrecht est cette personne rare qui, au milieu de l’hiver, quitte avec joie la Californie du Sud pour un endroit comme Fairbanks, en Alaska, où les températures hivernales dépassent rarement le point de congélation. Là-bas, il enfile une parka et s’assoit dans un champ avec un appareil photo et un morceau de carton mousse, attendant la neige.

Spécifiquement, il recherche les cristaux de neige les plus étincelants, les plus nets et les plus beaux que la nature puisse produire. Les flocons supérieurs ont tendance à se former dans les endroits les plus froids, dit-il, comme Fairbanks et le nord enneigé de l’État de New York. La meilleure neige qu’il ait jamais trouvée se trouvait à Cochrane, dans le nord-est isolé de l’Ontario, où il y a peu de vent pour malmener les flocons de neige lorsqu’ils tombent dans le ciel.

Enfermé dans les éléments, Libbrecht scrute sa planche avec la patience d’un archéologue, à la recherche de flocons parfaits et autres cristaux de neige. “S’il y en a un vraiment beau, votre œil le trouvera”, dit-il. “Sinon, vous le balayez, et vous faites cela pendant des heures.”

Libbrecht est physicien. Son laboratoire à l’Institut de technologie de Californie a étudié la structure interne du soleil et développé des instruments avancés pour la détection des ondes gravitationnelles. Mais depuis 20 ans, la passion de M. Libbrecht est la neige – pas seulement son apparence, mais aussi ce qui lui donne cet aspect. C’est un peu embarrassant lorsque des choses tombent du ciel et que l’on se dit : “Pourquoi est-ce que ça ressemble à ça ? Ça me dépasse'”, a-t-il dit.

Depuis 75 ans, les physiciens savent que les minuscules cristaux de neige se classent en deux types dominants. L’un est l’étoile plate emblématique, avec six ou douze pointes, chacune décorée de branches de dentelle assorties dans un éventail vertigineux de possibilités. L’autre est une colonne, parfois prise en sandwich par des calottes plates et parfois ressemblant à un boulon provenant d’une quincaillerie. Ces différentes formes se produisent à différentes températures et humidités, mais la raison de ce phénomène est restée un mystère.

Au fil des ans, les observations minutieuses de Libbrecht ont permis de mieux comprendre le processus de cristallisation de la neige. “Il est sûrement le pape dans le domaine”, a déclaré Gilles Demange, un spécialiste des matériaux à l’Université de Rouen en France qui étudie également les cristaux de neige.

A présent, le travail de Libbrecht sur la neige s’est cristallisé dans un nouveau modèle qui tente d’expliquer pourquoi les flocons et autres cristaux de neige se forment de la manière dont ils le font. Son modèle, détaillé dans un article qu’il a mis en ligne en octobre, décrit la danse des molécules d’eau à proximité du point de congélation et comment les mouvements particuliers de ces molécules peuvent expliquer la panoplie de cristaux qui se forment dans différentes conditions. Dans une autre monographie de 540 pages, M. Libbrecht décrit l’ensemble des connaissances sur les cristaux de neige. Douglas Natelson, physicien spécialiste de la matière condensée à l’université Rice, a qualifié la nouvelle monographie de “tour de force”.

“En tant qu’œuvre,” a déclaré Natelson, “garçon, c’est magnifique.”

Étoiles à six cornes

Tout le monde sait qu’il n’y a pas deux flocons de neige qui se ressemblent, un fait qui découle de la façon dont les cristaux cuisent dans le ciel. La neige est un amas de cristaux de glace qui se forment dans l’atmosphère et conservent leur forme lorsqu’ils tombent collectivement sur la Terre. Ils se forment lorsque l’atmosphère est suffisamment froide pour les empêcher de fusionner ou de fondre et de se transformer en grésil ou en pluie.

Bien qu’un nuage contienne des multitudes de températures et de taux d’humidité, ces variables sont pour ainsi dire constantes à travers un seul flocon de neige. C’est pourquoi la croissance des flocons de neige est souvent symétrique. En revanche, chaque flocon de neige est soumis à des vents changeants, à la lumière du soleil et à d’autres variables, note Mary Jane Shultz, chimiste à l’université Tufts, qui a publié récemment un essai sur la physique des flocons de neige. Comme chaque cristal se soumet au chaos d’un nuage, ils prennent tous des formes légèrement différentes, explique-t-elle.

Les premières songeries enregistrées sur ces formes délicates remontent à 135 avant Jésus-Christ en Chine, selon les recherches de Libbrecht. “Les fleurs des plantes et des arbres sont généralement à cinq pointes, mais celles de la neige, qui sont appelées ying, sont toujours à six pointes”, a écrit l’érudit Han Yin. Mais le premier scientifique à essayer de comprendre pourquoi cela se produit a probablement été Johannes Kepler, le scientifique et polymathe allemand.

En 1611, Kepler a offert un cadeau de nouvel an à son mécène, l’empereur du Saint-Empire romain germanique Rodolphe II : un essai intitulé “Le flocon de neige à six coins”. Kepler écrit qu’il a remarqué un flocon de neige sur sa veste en traversant le pont Charles de Prague et qu’il n’a pu s’empêcher de réfléchir à sa géométrie. “Il doit y avoir une cause pour que la neige ait la forme d’une étoile à six branches. Ce ne peut être le hasard”, écrivait-il.

Il se serait souvenu d’une lettre de son contemporain Thomas Harriot, un scientifique et astronome anglais qui, parmi de nombreux rôles, a servi de navigateur pour l’explorateur Sir Walter Raleigh. Vers 1584, Harriot cherchait le moyen le plus efficace d’empiler les boulets de canon sur les ponts des navires de Raleigh. Les motifs hexagonaux semblent être le meilleur moyen de serrer les sphères les unes contre les autres, constate Harriot, qui correspond avec Kepler à ce sujet. Kepler se demande si quelque chose de similaire se produit dans les flocons de neige, et si leurs six côtés peuvent être épinglés sur l’arrangement de “la plus petite unité naturelle d’un liquide comme l’eau.”

C’était un remarquable aperçu précoce de la physique atomique, qui ne serait pas formalisé avant 300 ans. En effet, les molécules d’eau, avec leurs deux hydrogènes et un oxygène, ont tendance à se verrouiller ensemble pour former des réseaux hexagonaux. Kepler et ses contemporains ne pouvaient pas savoir à quel point cela était important. “Grâce à la liaison hydrogène et aux détails de l’interaction des molécules entre elles, on obtient une structure cristalline relativement ouverte”, a déclaré M. Natelson. Outre qu’elle contribue à la formation des flocons de neige, cette structure hexagonale rend la glace moins dense que l’eau liquide, ce qui a une incidence considérable sur la géochimie, la géophysique et le climat. Selon Natelson, si la glace ne flottait pas, “la vie sur Terre ne serait pas possible”.

Après le traité de Kepler, l’observation des flocons de neige est restée un hobby plus qu’une science. Dans les années 1880, un photographe américain du nom de Wilson Bentley – originaire du village froid et producteur de neige de qualité de Jericho, dans le Vermont – a commencé à réaliser les premières images de cristaux de neige à l’aide de plaques photographiques. Il a produit plus de 5 000 images avant de succomber finalement à une pneumonie.

Puis, dans les années 1930, le chercheur japonais Ukichiro Nakaya a commencé une étude systématique des différents types de cristaux de neige. Au milieu du siècle, Nakaya produisait des flocons de neige dans un laboratoire, en utilisant des poils de lapin individuels pour suspendre des cristaux de givre dans de l’air réfrigéré où ils pouvaient se développer en flocons de neige à part entière. Il a modifié les paramètres d’humidité et de température pour faire croître les deux principaux types de cristaux et a établi son catalogue de formes possibles. Nakaya a constaté que les étoiles ont tendance à se former à -2 degrés Celsius et -15 C. Les colonnes se forment à -5 C et à nouveau à environ -30 C. Dans une faible humidité, les étoiles forment peu de branches et ressemblent à des plaques hexagonales, mais dans une humidité élevée, les étoiles poussent des dessins plus complexes, en dentelle.

Selon Libbrecht, la raison des différentes formes de cristaux a également commencé à être mise en évidence après le travail de pionnier de Nakaya. Les cristaux se développent en étoiles et en plaques plates (plutôt qu’en structures tridimensionnelles) lorsque les bords se développent rapidement vers l’extérieur tandis que les faces se développent lentement vers le haut. Les colonnes minces se développent d’une manière différente, avec des faces à croissance rapide et des bords à croissance plus lente.

Mais les processus atomiques sous-jacents qui dictent si les cristaux de neige auront la forme d’étoiles ou de colonnes restaient opaques. “Qu’est-ce qui change avec la température ?” dit Libbrecht. “J’ai essayé de reconstituer tout cela.”

Réception de flocons de neige

Libbrecht et le très petit cadre de chercheurs qui étudient ce problème ont essayé de trouver une recette de flocons de neige, pour ainsi dire – un ensemble d’équations et de paramètres qui peuvent être introduits dans un superordinateur qui cracherait alors la splendide variété de flocons de neige que nous voyons réellement.

Libbrecht s’est lancé dans cette quête il y a deux décennies après avoir découvert une forme exotique de flocon de neige appelée colonne coiffée. Elle ressemble à une bobine vide, ou à deux roues et un essieu. Originaire du Dakota du Nord, il a été choqué et s’est demandé : “Comment se fait-il que je n’en aie jamais vu ?”. Fasciné par les formes infinies de la neige, il a entrepris de comprendre leur nature pour un livre de vulgarisation scientifique qu’il a publié par la suite, et il a commencé à prendre des photos, lui aussi. Très vite, il s’est mis à bricoler des équipements pour faire pousser des flocons de neige dans son laboratoire. Son nouveau modèle est le résultat d’observations faites pendant des décennies qui, selon lui, ont récemment commencé à se concrétiser.

Sa percée clé était une idée appelée diffusion moléculaire pilotée par l’énergie de surface, qui décrit comment la croissance d’un cristal de neige dépend des conditions initiales et du comportement des molécules qui le forment.

Imaginez des molécules d’eau disposées de manière lâche, alors que la vapeur d’eau commence tout juste à geler. Si vous étiez en quelque sorte en train de regarder cela depuis un minuscule observatoire, vous verriez les molécules d’eau qui gèlent commencer à former un réseau rigide, avec chaque atome d’oxygène entouré de quatre atomes d’hydrogène. Ces cristaux se développent en incorporant des molécules d’eau de l’air environnant dans leur motif. Ils peuvent croître dans deux directions principales : vers le haut ou vers l’extérieur.

Un cristal mince et plat (en forme de plaque ou d’étoile) se forme lorsque les bords s’encastrent dans la matière plus rapidement que les deux faces du cristal. Le cristal naissant s’étendra vers l’extérieur. Cependant, lorsque ses faces croissent plus rapidement que ses bords, le cristal devient plus haut, formant une aiguille, une colonne creuse ou une tige.

Selon le modèle de Libbrecht, la vapeur d’eau se dépose d’abord sur les coins du cristal, puis diffuse sur la surface soit vers le bord du cristal, soit vers ses faces, provoquant la croissance du cristal vers l’extérieur ou vers le haut, respectivement. Lequel de ces processus gagne au fur et à mesure que divers effets de surface et instabilités interagissent dépend principalement de la température.

Tout cela ne se produit que dans la glace, un minéral inhabituel, en raison d’un phénomène appelé “pré-fusion”. Comme la glace d’eau se trouve généralement près de son point de fusion, les quelques couches supérieures sont liquides et désordonnées. La pré-fusion se produit différemment sur les faces et les bords en fonction de la température, bien que les détails de ce phénomène ne soient pas complètement compris. “C’est la partie du modèle où je l’invente entièrement”, a déclaré Libbrecht – bien qu’il affirme que l’image physique globale semble plausible.

Son nouveau modèle est “semi-empirique”, partiellement réglé pour correspondre aux observations plutôt que d’expliquer la croissance des flocons de neige en partant entièrement des premiers principes. Les instabilités et les interactions entre les innombrables molécules sont trop compliquées pour être entièrement démêlées. Mais il espère que ses idées formeront la base d’un modèle complet de la dynamique de croissance de la glace qui pourra être étoffé par des mesures et des expériences plus détaillées.

Bien que la glace soit particulièrement bizarre, des questions similaires se posent plus généralement dans la physique de la matière condensée. Les molécules de médicaments, les puces à semi-conducteurs pour les ordinateurs, les cellules solaires et d’innombrables autres applications dépendent de cristaux de haute qualité, et des groupes entiers de chercheurs se concentrent sur les bases de la croissance des cristaux.

Meenesh Singh est l’un de ces chercheurs, à l’Université de l’Illinois, à Chicago. Dans un article récent, Singh et un coauteur ont identifié un nouveau mécanisme qui pourrait sous-tendre la croissance des cristaux dans les solvants, par opposition à la cristallisation par changement de phase de la neige et de la glace de Libbrecht. Dans la cristallisation par solvant, les matériaux solides sont dissous dans une solution comme l’eau ou un autre liquide. En ajustant la température et en ajoutant d’autres solvants, les fabricants peuvent cristalliser de nouvelles molécules de médicaments ou produire de nouveaux cristaux pour les cellules solaires, et ainsi de suite.

“Toutes les applications concernant la croissance des cristaux sont traitées de manière empirique”, a déclaré Singh. “Vous disposez de certaines données empiriques, et à partir de ces informations, vous essayez d’expliquer comment un cristal pourrait croître.” Mais il n’est pas clair, a-t-il dit, comment une molécule dans la solution s’intègre dans un cristal. “Qu’est-ce qui pousse vraiment une molécule à faire cela ? Pourquoi irait-elle vers un cristal ? Si vous commencez à vous interroger, cela crée beaucoup de questions, et ces questions ne sont pas abordées.”

Libbrecht pense que de meilleures expériences et des simulations informatiques plus sophistiquées répondront à de nombreuses questions sur la croissance des cristaux dans les années à venir. “Un jour, vous serez en mesure de faire un modèle moléculaire entier jusqu’à l’atome et de voir ces phénomènes se dérouler, jusqu’à la mécanique quantique”, a-t-il déclaré.

Alors qu’il essaie de démêler la physique, il aime toujours la photographie de cristaux de neige et les voyages qui l’accompagnent. Mais dernièrement, il est resté sous le soleil de la Californie du Sud, où il a mis au point un système sophistiqué pour faire pousser des flocons de neige dans son laboratoire. À 61 ans, il est proche de la retraite, ce qui signifie, dit-il, “que je me débarrasse des chaînes de mes autres emplois. Je vais juste faire de la glace à partir de maintenant.”

L’histoire originale a été reproduite avec la permission de Quanta Magazine, une publication indépendante de la Fondation Simons dont la mission est d’améliorer la compréhension de la science par le public en couvrant les développements et les tendances de la recherche en mathématiques et en sciences physiques et de la vie.

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